شبیه‌سازی موتور پیشرانه جامد شامل گرین پیچیده با در نظر گرفتن پس‌روی سه‌بعدی و میدان جریان شبه‌ یک‌بعدی

نوع مقاله: مقالة‌ تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

1 گروه هوافضا- دانشکده مهندسی مکانیک- دانشگاه تربیت مدرس- تهران

2 دانشگاه تربیت مدرس - دانشکده مکانیک

3 مهندسی مکانیک, دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگه اراک

چکیده

در این تحقیق، پس­روی سطح انواع گرین­های سه‌بعدی به همراه بالستیک داخلی شبه یک­بعدی موتورهای سوخت جامد با استفاده از تئوری مرز­های متحرک روش مجموعه سطح و بهره‌گیری از روش مقاطع شبیه‌سازی‌شده تا ضمن رسیدن به‌دقت بالا در شبیه­سازی از زمان تحلیل پس­روی گرین­ نیز به‌طور محسوسی کاسته شود. با استفاده از روش مقاطع، گرین­های سه‌بعدی به تعداد زیادی از سطح مقطع­های دوبعدی تبدیل‌شده و سپس با استفاده از تئوری منحنی­های تراز در دو بعد پس­روی گرین مورد بررسی قرارگرفته است. درنهایت با استفاده از روش درون­یابی، سطح سوزش گرین­های سه‌بعدی حاصل می­شود. همچنین برای پیش‌بینی فشار درون موتور و نرخ سوزش مورد­نظر یک کد بالستیک داخلی به‌صورت شبه یک­بعدی نوشته و با کد تحلیل پس‌روی گرین کوپل شده است. پدیدة سوزش فرسایشی نیز پدیده‌ای مهم در موتورهای سوخت جامد، به‌حساب می­آید. در این تحقیق، با در نظر گرفتن سوزش فرسایشی بر اساس مدل سادرهلم، محفظه‌ی احتراق به المان­هایی تقسیم‌بندی می­شود و روابط بالستیک داخلی شبه یک­بعدی برای محاسبه پارامترهایی از قبیل فشار محفظه احتراق، تراست، سطح سوزش، درجه حرارت محفظه، عدد ماخ و ... در هر المان اعمال و حل می‌‌گردد. این روش از نظر نحوه پیاده­سازی و میزان دقت با روش­های تحلیلی و آزمایشگاهی مقایسه شده است که بیانگر دقت بالای روش استفاده‌شده در تحلیل عملکرد موتور‌های سوخت جامد با گرین سه‌بعدی است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical simulation of complicated grains with 3D burnback and Quasi-One-Dimensional flow field of solid rocket motors

نویسندگان [English]

  • mohammad razmjooei 1
  • فتح اله امی 2
  • mohammad shahbazi 3
1 M.Sc, Tarbiat Modares University, Aerospace engineering, Tehran, Iran
2 Tarbiat Modares University
3 tehran-iran

[1]    Heidari, M. R.; Adami, A. H. "General Grain Analysis and Rapid Internal Ballistic Simulation for Solid Motor"; Iranian Scientific Association of Energetic Materials, Vol. 5., No. 2, 2011, pp. 59-72 (In Persian).

[2]    Chorin, A. J. "Flame Advection and Propagation Algorithms";  J. Comput. Phys. Vol. 35, No. 1, 1980, pp. 1-11.

[3]    Osher, S.; Sethian, J. A. "Fronts Propagating with Curvature-Dependent Speed: Algorithms Based on Hamilton-Jacobi Formulations"; J. Comput. phys.,Vol. 79, No. 1, 1988, pp. 12-49.

[4]    Atılgan, T. K.; Tuğrul, T. H.; Haluk, A. M. “Three-Dimensional Internal Ballistic Analysis by Fast Marching Method Applied to Propellant Grain Burn-Back”; 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE. Joint. Propul. Conf. Tucson, AZ, USA. 2005.

[5]    H. Karimi, M. Moradi, H. Abtahi." Three-dimensional grain burn-back geometric modeling with quite complex profiles by SolidWork software";in The 6th Conference of Iranian Areospace Society, Tehran, Iran, 2006. (In Persian).

[6]    Willcox, M. A.; Brewster, M. Q.; Tang, K. C.; Stewart, D. S. "Solid Propellant Grain Design and Burnback Simulation Using a Minimum Distance Function"; J. propul. Power. 2007, 23(2), 467-477.

[7]    Yildirim, C.; Aksel, M. H. “Numerical Simulation of the Grain Burnback in Solid Propellant Rocket Motor”; AIAA. Pap. 2005, 4160.

[8]    Qin, F.; Guoqiang, H.; Peijin, L.; Jiang, L. "Algorithm Study on Burning Surface Calculation of Solid Rocket Motor With Complicated Grain Based On Level Set Methods"; 42th AIAA/Am. Soc. Mech. Eng. Soc. Auto. Eng. Soc. Explos. Eng. Joint Propul. Conf. Exh. 2006.

[9]    Favini, B.; Cavallini, E.; Di Giacinto, M.; Serraglia, F. "An Ignition-to-Burn Out Analysis of SRM Internal Ballistic and Performances"; AIAA. Pap. 2008, 5141.

[10]   Toker,K. A.; Alsel, H.; Tinaztepe, T. "3-Dimentional Propellant Grain Burn back Calculation on Tetrahedron Mesh by Fast Marching Method"; AIAA, 2004.

[11]  Moshir Estekhareh, S. G. Numerical simulation of the grain burn-back in solid propellant rocket motor, MS Thesis, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Maleke-ashtar University of Technology, Tehran, 2012 (In Persian).

[12]  Gheisari, M, M., Mirsajedi, S, M.,"Using marching cube algorithm for 3D grain burn-back analysis in Solid Rocket Motors based on level set method";Modares Mechanical Engineering, Vol. 14 No. 15, 2015, pp. 85-95 (In Persian).

[13]   Tshokotsha, M.H.,. Internal ballistic modelling of solid rocket motors using level set methods for simulating grain burnback, (Thesis PhD), Stellenbosch: Stellenbosch University, 2016.

[14]   Pons Lorente, A. Study of grain burnback and performance of solid rockets motors, (Thesis Master), Jet. Propul. 2013, pp. 8-10.

[15]   Cavallini, E,. Modeling and numerical simulation of solid rocket motors internal ballistics, 2010.

[16]   Summerfield, M. Solid Propellant Rocket Research, Princeton University: Prinncton, New Jersey. 1960, pp. 207-227.

[17]   Zucrow, M.J. and Hoffman, J.D., Gas Dynamics: Volume2-Multidimensional Flow, John Wiley & Sons, Inc., New York. 1977, p. 488.

[18]   Hoffman, Z., "Gas Dynamics Volume I J. Padhye, V. Firoiu, and D. Towsley, “A stochastic model of TCP Reno congestion avoidance and control,” Univ. of Massachusetts, Amherst, MA, CMPSCI Tech. Rep,1999, pp. 99-02.

[19]    Kays Morrow, W., Convective heat and mass transfer, Tata McGraw-Hill Education, 2012.

[20]    Heidari, M, R,. Adami, A, H,. “Specific Grain Analysis and Rapid Internal Ballistic Simulation for Solid Motor”; Journal of Space Science & Technology, 2012, pp. 67-80 (In Persian).

[21]   ThiokoVhuntsvill, A. L. "Application of the Saderholm Erosive Burning Model to Nozzleless Solid Propellant Rocket Motors", 1984, 35807

[22]   Willcox, M. L.; Brewster, M. Q.; Tang, K. C.; Stewart, D. S. and Kuznetsov, I. R. "Solid Rocket Motor Internal Ballistics Simulation Using Three Dimensional Grain Burn Back"; J. Propul. Power. May-June 2007, pp. 575-584.

[23]   Sutton; George, P., Babilarz, O., Rocket Propulsion Elements, John & Sons, 2017, pp. 165-167.

[24]   Cavallini, E. Modeling and Numerical Simulation of Solid Rocket Motors Internal Ballistics; (Thesis PhD), 2010, pp. 37-43.

[25]   Parsa, R, E,. Mirsajedi, S. M., "Effects of Erosive Burning on Solid Rocket Motor Internal Ballistics"; Journal of Space Science & Technology, 2012, pp. 69-74 (In Persian).

[26]   Konert, M. Vandenberghf, J. F. “Comparison of Laser Grain Size Analysis with Pipette and Sieve Analysis: a Solution for the Underestimation of the Clay Fraction,” Sedimentology, Vol. 44, No. 31, 1997, pp. 523-535.‏

[27] Cavallini, E.; Favini. B.; Giacinto, M. Di. “Internal Ballistics Simulation of a NAWC Tactical SRM.,” J. Appl. Mech, Vol. 78, 2011, pp. 1005-1018.